Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen und Weiterentwicklung stoffschlüssiger Fügeverfahren zum Verbinden von additiv gefertigten Bauteilen

Die additive Fertigung (AM) von Bauteilen erfährt einen immensen Innovationsschub und eine steile Entwicklung von einer Prototypen-Technologie hin zu einem Serienverfahren und bildet dabei eine Schlüsseltechnologie im Zusammenhang mit Industrie 4.0 in einer zunehmend individualisierten Produktion. Das hohe Interesse zeigt auch die Verachtfachung des Umsatzes zwischen 2003 und 2014. Diese Entwicklung kann auf die Möglichkeit der hohen geometrischen Gestaltungsfreiheit, die ein vollständig neues Produktdesign zulässt und der Leichtbauweise neue Möglichkeiten bietet, zurückgeführt werden. Einschränkungen bestehen jedoch in der Bauraumgröße und Produktivität was eine wirtschaftliche Fertigung größerer Werkstücke einschränkt. Zur Einbindung in eine Bauteilstruktur sind Fügetechniken gefragt, die die optimierten Bauteile sicher und hochbelastbar einbinden können. Aktuell werden mechanische Fügeverfahren eingesetzt, das unter anderem zu einer Gewichtserhöhung führt. Schmelzschweißverfahren, wie das Laserschweißen haben aufgrund von hohen Wasserstoffgehalten im Grundwerkstoff eine Porenaffinität im Schweißgut. Zur Vermeidung von Poren bieten sich Festphasen-Fügeverfahren an. In diesem Projekt sollen die Verfahren Rührreib- und Orbitalreibschweißen für das Fügen von AM-Komponenten qualifiziert und die Schweißnahteigenschaften charakterisiert werden.

Mit der in diesem Projekt erarbeiteten Wissensbasis können kmU aus dem Bereich der AM ihr Produktportfolio hin zu komplex gefügten Strukturen erweitern, da in der aktuellen Literatur keine umfassenden Forschungsergebnisse zum schweißtechnischen Fügen von AM bekannt sind. Die kmU können hierdurch Bauteilstrukturen mit unterschiedlicher Komplexität differenzieren, um weniger komplexe Strukturen mit konventionellen Fertigungsverfahren und komplexe Bereiche mit AM-Verfahren herstellen. Dies ermöglicht Strukturen, deren Eigenschaften anwendungsspezifisch ausgelegt werden können, bei höchster Wirtschaftlichkeit in der Fertigung.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte im Forschungsprojekt nachgewiesen werden, dass durch die Verwendung des Fügeverfahrens Rührreibschweißen additiv gefertigte Bauteile (AlSi10Mg) mit unterschiedlichen Oberflächengüten, mit sich selbst sowie in mit konventionellen Aluminiumlegierungen (EN AW 6082 T6), unter Einhaltung der geforderten mechanisch-technologischen Eigenschaften, gefügt werden können.

Die Untersuchung der fügetechnischen Verarbeitung des additiven Materials mittels Rührreibschweißen (RRS) und Orbitalreibschweißen (ORS) stellte in diesem Forschungsvorhaben eine elementare Größe dar. Dazu wurde ein Schweißparameterfenster für die Fügewerkstoffe ausgearbeitet. Im Fügeprozess dienten Thermoelemente zur Ermittlung der Auswirkungen auf den Energieeintrag bei den genannten Oberflächengüten.

Um die mechanisch-technologischen Eigenschaften der RRS Schweißungen vollständig bewerten zu können, wurde vorgesehen selbige Schweißungen mit einem herkömmlichen Schweißverfahren als Referenz durchzuführen. Dazu eignete sich das Cold Metal Transfer (CMT) Schweißen. Nach Gegenüberstellung der Ergebnisse zeigte sich, dass die additiven RRS Schweißungen im Spannungs-Dehnungs-Diagramm deutlich bessere Ergebnisse erzielten, was unter anderem auf die Fähigkeit zur Verschließung bzw. Überbrückung der Poren, demzufolge der Bauteilporosität des additiven Grundmaterial, zurückzuführen ist. Bei den Schweißungen mit EN AW 6082 T6 hingegen lagen die Zugfestigkeiten zwischen RRS und CMT gleich auf. Jedoch ist die Dehnung bei den RRS Schweißungen deutlich höher, was wiederrum auf die vergleichsweise deutlich geringere Wärmeeinbringung im RRS Prozess und die damit weniger große Versprödung des Materials zurückzuführen ist. Abschließend wurde eine SWOT-Analyse zur Bewertung der Vor-und Nachteile der besagten Fügeverfahren durchgeführt.